抽油机变轨柔性运行技术应用前景展望

李立强 张雅春（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

抽油机变轨柔性运行技术应用前景展望

李立强 张雅春（大庆油田有限责任公司第七采油厂）

针对第七采油厂抽油机系统效率低及单井能耗高的问题，分析了影响抽油机井系统效率的因素，以抽油机井抽汲参数整体优化及降低能耗为原则，对抽油机变轨柔性运行技术应用前景进行了展望。从现场实际应用看，抽油机变轨柔性运动技术能够改变抽油机井抽汲频率和抽汲过程中的柱塞速度分布规律，简化地面传动系统和整个杆柱的结构并减小疲劳强度，实现按井下供液量自动调参、提高泵效、降低机械受力和损耗的整体优化，达到了提高系统效率、降低单井能耗的目的，最大限度地节约了电能，具有较高的经济效益。

抽油机 系统效率 柔性运行 节能

大庆油田第七采油厂属于外围油田，2009年全厂平均系统效率仅为14.71%，远远低于主力油田，平均耗电11.28 kW·h/t，其中，低于平均系统效率的抽油机井有1 148口，占统计井的65.45%，平均耗电20.11 kW·h/t，因此，合理优化低效井机、杆、泵等抽汲参数，降低低效井能耗是提高第七采油厂抽油机井系统效率及降低单井能耗的关键，所以有必要开展抽油机变轨柔性运行技术的研究。

1 应用背景

常规游梁式抽油机自诞生以来，历经百年使用，经受了各种工况和地域油田的考验，但是常规游梁式抽油机的结构特征，决定了它平衡效果差，曲柄静扭矩脉动大，存在负扭矩、载荷率低、工作效率低和能耗大等缺点。在采油成本中，抽油机电费占30%左右，年耗电量占油田总耗电量的20%～30%，居油田耗电的第二位。

多年来，油田机采节能工作基本集中在拖动电动机节能一个方面。然而，电动机的拖动效率仅仅是抽油机系统节能的一个较小的部分，降低抽油机系统特别是井下系统的无效运行能耗才是提高系统效率的关键。常规游梁式抽油机的无效运行能耗产生于多个方面，按其作用大小依次为：①容积泵效；②电动机（拖动系统）效率；③皮带与变速箱的传动效率；④井下液体阻尼以及杆管泵内部的运动摩擦。所以，对常规游梁式抽油机单井抽汲参数整体优化是今后抽油机节能的必然趋势。变轨柔性运行技术就是以提高泵效、降低能耗为主要目的，同时全面兼顾其他3个方面效率的综合性系统解决方案。

2 变轨柔性运行技术

2.1 原理

变轨柔性运行技术主要由单井结构动态分析与优化控制运行中央计算机系统、具有速度转矩分别受控能力的数字化高效电动机驱动装置和辅助传感器三部分组成。该技术是一种用于优化游梁式抽油机运行的实用驱动控制技术（图1），核心是保持抽油机原设备构成完全不变，仅通过电动机主动变速，改变抽汲频率和抽汲过程中的柱塞速度分布规律、简化地面传动系统和整个杆柱的结构并减小疲劳强度，实现按井下供液量自动调参、提高泵效、降低机械受力与损耗、降低系统能耗等综合目标。变轨柔性运行技术在继承了游梁式抽油机的形式和优点的同时，使游梁式抽油机的整体运行效果接近或达到了直线式抽油机的水平。

图1 运行控制示意图

2.2 目的

常规游梁式抽油机系统效率低和井下机件损耗严重主要是四连杆机构的曲柄旋转、悬点直线往复运动转换关系特性和不能及时主动调参两个方面原因。变轨柔性运动技术作为一种计算机软件控制下的系统优化运行体系，借助受控变速驱动，有目的地调整悬点的原有速度分布轨迹，实现对抽油机传动系统和井下系统运行特性与效果的全面控制和改良。具体表现为：在对抽油机传动系统和井下系统结构的动力学实时计算分析的基础上，以杆柱和变速箱的负荷波动最小化原则作为调速运行的边界条件，按供采平衡原则主动调整宏观冲速，按容积泵效最大化原则优化调整每周期过程中不同位置的电动机转速和悬点速度分布模式，实现“以供定采”和全面补救四连杆机构的运动传递缺陷，达到保证充满度、消除液击、减小泵漏、降低井下运行流体阻尼能耗、降低下行偏磨力、降低齿轮箱扭矩、消除反向发电和机械系统无冲击柔性运行等综合性目的。

2.3 主要特点

变轨柔性运行技术是完全柔性运行，它可广泛应用于任何类型的游梁式抽油机，包括常规异步电动机、永磁同步电动机、异步启动同步运行电动机、高转差电动机、多功率电动机、多转速电动机等。

变轨柔性运行技术提高泵效显著，主要是：

◇供采自动平衡系统，冲速随井下供液速度自主调整，确保每行程有液可抽、减少空载率，避免了液击，满足了生产中调参要求；

◇通过悬点变速调整固定阀和游动阀的开闭过程，减少开闭过程中的液体漏失，降低无效行程；

◇通过悬点变速调整上行程的全程平均速度以及过程中速度分布，控制泵筒内的压力变化梯度，抑制溶解气逸出，保证液体充满度，提高排量系数；

◇调整行程换向过程中柱塞与泵筒的速度相位，获得额外的超行程，提高有效行程，降低行程损失。

变轨柔性运行技术是完全柔性软启动及主动柔性运行，主控计算机依顺势而为原则，主动调整电动机的驱动输出，以满足系统所有主要受力部件受力平滑变化的需求（包括地面驱动、皮带、变速箱、连杆、游梁、悬点、杆柱和柱塞等各机械受力部分），最大限度地减少了机械冲击伤害以及由此带来的能量损耗。即使适配自身最为刚性的永磁同步电动机，拖动系统的柔性程度也将超过自身柔性特性最佳的高转差电动机。

电动机启动控制器内部为游梁式抽油机专设的能量缓冲池能完全容纳抽油机系统动能和势能释放时产生的逆向能量，保证不向电网返送干扰性电能，实现该能量的有效再利用。

3 可行性分析

高转差电动机具有负荷越大转差越大的特性：即负荷越重转速越慢、越轻转速越快。借助这一自动变速特性，地面传动机构的运行速度不再刚性不变，高转差电动机的主要作用是有限提高了系统运行的柔性。高转差电动机的柔性作用是借助了本身的机械特性，故作用有限。高转差方式不具备自适应优化调参和井下过程优化运行的优势。

常规变频调速可以在不改变传动比的情况下实现调参，同时还具有上下行程按不同转速运行的特性，变频装置自身特性在一定程度上增加了系统运行柔性的功能，曲柄仍为匀转速运行，柱塞运动仍保持正弦速度分布特性，调参需人工参与，不能自适应优化调参。

智能矢量变频调速可以实现诊断泵的充满度和识别液面的变化，并依此实施自适应调参以达到保持液面稳定和保证较高的充满度的功能，同时还能实现主动分配上下行程内不同的恒转速，能调节和控制电动机的输出转矩，具有良好的运行柔性，但不能针对井下运动过程实现主动优化调节控制，柱塞运动仍保持近似正弦速度分布的基本特性。

变轨柔性运行技术在兼顾以上节能设备的功能后，改善了柱塞的运动方式，实现了抽汲频率与井下供液速度的协调配合，是提高游梁式抽油机的泵效、系统效率和降低能耗最行之有效的根本性办法。

3.1 宏观速度优化

合适的抽汲频率N（冲速）可以表示为单位时间内供液量Q的函数 N(Q)。在抽汲频率N下，若Q增大，液面将上升（汲入口压力将升高），反之将降低。因此在设定理想的沉没压力P0后，维持供采平衡的自适应控制的数学调整关系为：dN/dQ=常数。单行程内的水力功耗反比于汲入口压力，因此水力功耗的变化也就代表了汲入压力的变化。根据水力功耗的变化，以小步长增量调整抽汲频率即可实现供采平衡和流压的稳定。

汲入口压力低或液体黏性大都不利于液体进泵，在抽汲周期一定时，通过控制上行程时长的方法调整充满度。计算充满度的要点是识别下行程过程中液柱载荷的卸载点，卸载点位移量直接代表了未充满程度。

3.2 周期内过程速度优化

悬点运行规律优化的主要内容是在周期性抽汲过程中，在满足杆柱结构强度和疲劳强度的限制前提下，尽可能使被悬点带动的柱塞运行速度的波动最小，同时兼顾地面设备降低扭矩的需要。

3.3 优化目标函数

变轨柔性运行技术将井下系统最理想的运行模式设为上（下）行程内柱塞的最大运行速度尽可能接近其平均速度。将柱塞的最大速度与平均速度之差的最大值最小化作为优化目标函数。

3.4 优化边界条件

最大角速度限制：抽油机地面设备的承受能力，决定了曲柄的旋转速度极限值。

最大应力和应力幅：抽油杆最大应力和应力幅作为优化过程中杆柱的强度边界条件。在一个行程的全过程中，抽油杆上任意一点的应力均不能超出最大和最小许用应力范围。

图2 功图测试效果对比（北京金石GT3型测试仪）

4 现场应用效果

2010年7月2日，葡84-54井应用变轨柔性运行技术的测试效果。

4.1 电参数

该井应用变轨柔性运行技术后，日节电17.9 kW·h，有功节电率达到27.1%，综合节电率达到34.2%。电参数测试效果对比见表1。

4.2 现场工况

在试验井上分别使用北京金石GT3型测试仪和俄罗斯DK500次声波回声仪两种仪器，对安装前后的功图变化情况进行了测试，结果见图2、图3。

从测试结果看，功图充满度提高，功况趋于合理。试验后，冲速由4.4次/min降到3.6次/min，产液量稳定，沉没度由88.4 m上升到129.1 m，系统效率由6.3%提高到8.2%，见表2。

图3 功图测试效果对比（俄罗斯DK500次声波回声仪）

表1 电参数测试效果对比

表2 生产参数测试效果对比

5 结论和认识

变轨柔性运行技术是针对游梁式抽油机系统核心问题的一种综合解决技术。它不只是单一拖动电动机的节能，而是从源头控制开发的全系统参数整体优化治理方案。该技术通过对地面设备的速度控制，兼顾了驱动部分、地面机械系统和井下系统等各部分的运行需要，使游梁式抽油机整体系统效率达到最佳运行效果，弥补了现有运行优化治理措施的不足。通过现场实际应用及测试数据可以看出，应用变轨柔性运行技术后，可以在保证产液量不降的前提下，动态调整冲速，提高泵的充满程度并减少漏失量，进而改善功况运行状态，同时降低举升能耗，提高系统效率，延长了油井免修期，提高了经济效益。根据第七采油厂机采井的实际情况和变轨柔性运行技术的特点及优势，该系统在单井能耗较高的葡北和扶余地区应用较为合理。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2011.01.004

2010-11-08）

李立强，毕业于大庆石油学院，助理工程师，E-mail：liliqiang@petrochina.com.cn，地址：大庆市大同区第七采油厂工程技术大队，163517。